使用Ansoft HFSS設(shè)計(jì)圓極化微帶天線陣

【摘要】：介紹了一種工作頻率為2.43 GHz 的圓極化四單元矩形微帶天線陣的設(shè)計(jì)方法。通過對天線單元采用正交饋電激勵起兩個極化方向正交的、幅度相等的、相位相差90°的線極化波從而使天線單元獲得圓極化波。在利用圓極化條件確定天線尺寸基礎(chǔ)上，借助Ansoft HFSS仿真軟件對天線進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。

    1 引言

    微帶天線具有結(jié)構(gòu)簡單、易于制作、成本低、體積小、重量輕、低剖面等特點(diǎn)，在衛(wèi)星通信、雷達(dá)、生物醫(yī)學(xué)輻射器、射頻識別等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用 。本文設(shè)計(jì)的四 單元微帶天線陣是應(yīng)用在射頻識別閱讀器中的，由于一般標(biāo)簽天線為線極化，為保證標(biāo)簽天線能夠隨意地旋轉(zhuǎn)而不影響系統(tǒng)接受能量的效率，往往把閱讀器天線設(shè)計(jì)為圓極化。Ansoft HFSS 是一個用于任意三維無源器件的高性能的全波電磁場仿真器，他采用圖形用戶界面。最近幾年，Ansoft HFSS 發(fā)展了許多新的使用者和工業(yè)領(lǐng)域。在工業(yè)界，Ansoft HFSS 已經(jīng)成為選擇高生產(chǎn)率研究、發(fā)展和虛擬原始模型的工具。

    本文首先對正交饋電的圓極化天線陣元做了簡單的理論分析，并給出了計(jì)算貼片尺寸的方法，通過Ansoft HFSS 軟件對天線陣元以及天線陣進(jìn)行仿真，得到與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較吻合的結(jié)果。

    2 設(shè)計(jì)原理

    2.1 天線陣元理論分析

    微帶天線要獲得圓極化波的關(guān)鍵是，激勵起兩個極化方向正交的、幅度相等的、相位相差90°的線極化波。利用微帶天線實(shí)現(xiàn)圓極化輻射主要有以下幾種方式:
    (1) 正交饋電的單片圓極化微帶天線; 
    (2) 一點(diǎn)饋電或多點(diǎn)饋電的單片圓極化微帶天線;
    (3) 由曲線微帶構(gòu)成的寬頻帶圓極化微帶天線; 
    (4) 微帶天線陣構(gòu)成的圓極化微帶天線[2] 。

    本文對天線單元的設(shè)計(jì)采用的是雙正交饋電矩形微帶天線。雙饋電方式是獲得圓極化輻射的最直接方法，這種方法是采用兩個饋電點(diǎn)來激勵兩個極化正交的簡并模， 并由饋電網(wǎng)絡(luò)保證兩模的振幅相等，相位差為 90°，這樣就滿足圓極化條件。

    圖1 所示是采用正交饋電的圓極化微帶天線的最簡單的實(shí)現(xiàn)方法。兩支路分別激勵TM01和 TM10模，兩者的輸入電阻分別為Ra 和 Rb，且有 Ra = Rb。各段饋線的特性阻抗以及長度按下列關(guān)系設(shè)計(jì):

    本文中工作頻率f r = 2.43 GHz ,基板的高度h = 1.6 mm ,基板的介電常數(shù)εr = 2.55，按上述方法計(jì)算的W p = 37.6 mm，以 W p = 37.6 mm 為貼片尺寸在 Ansoft HFSS 進(jìn)行建模仿真所得的工作頻率 f 0 = 2.420 GHz，工作頻率處的VSWR = 1.2 ，軸比 Ax = 1.5，通過仿真結(jié)果證明了以上計(jì)算方法的正確性。

圖1 正交饋電的圓極化微帶天線

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